Настоящая работа посвящена использованию технологии термического опреснения воды Каспийского моря с утилизацией тепла газотурбинных установок. Работа выполнена на примере газотурбинной электрической станции. Такая станция включает четыре газотурбинные установки и в настоящее время эксплуатируется на нефтяном месторождении «Нефт Дашлары» Азербайджанской Республики.

Это месторождение является морским и удалено от берега на несколько десятков километров. Существующая опреснительная установка имеет низкую производительность и не обеспечивает все потребности в технической воде. Поэтому приходится использовать значительное количество пресной воды, которую транспортируют с берега специальными танкерами. Затраты на транспортировку воды очень высоки. Создание тепловой электрической станции на данном объекте также требует решения проблемы воды.

Совокупность указанных обстоятельств делает актуальным создание установки многоцелевого опреснительного комплекса с утилизацией тепла действующих газотурбинных установок. Реальные предпосылки для решения этой задачи обусловлены тем, что каждая из четырех газотурбинных установок оснащена котлом утилизатором, позволяющем нагревать воду до 150-160⁰С. Однако, из-за отсутствия тепловых потребителей низкого потенциала, практически используется только один котел-утилизатор. В остальные котлы-утилизаторы поступают продукты сгорания с температурой 450⁰С и с такой же температурой покидают его. Эти три котла и могут быть использованы в схеме утилизационного опреснения морской воды. Расчеты показывают, что потери тепла с уходящими газами на каждом котле достигают 38%, а соответствующий расход бросового тепла – 6,7 МВт.

На рассматриваемом объекте существует потребность в технической пресной воде, умягченной воде, умягченной воде и дистилляте. Поэтому предлагается принципиальная технологическая схема многоцелевого опреснения, которая основана на следующих принципах и процессах (рис.1):

- комбинирование стадий термического и обратноосмотического опреснения с использованием остаточного концентрата стадии обратноосмотического опреснения для питания контура термического опреснения;

- организация циркуляционного контура, включающего котлы-утилизаторы и адиабатные испарители на стадии термического опреснения;

- предотвращение накипеобразования на греющих поверхностях котлов-утилизаторов и мембранных обратноосмотических модулей путем предварительного Na-катионитного умягчения морской воды. Регенерация Na-катионитных фильтров только собственными солекомпонентами исходной морской воды (без использования реагентов со стороны).

Рисунок 1. Принципиальная технологическая схема установки многоцелевого утилизационного опреснения морской воды.

I – газовая турбина; II – электрический генератор; III – котел-утилизатор; IV-адиабатный испаритель; V – конденсатор; VI – механический фильтр; VII – Na-катионитный фильтр; VIII – модуль обратноосмотическое опреснения

Согласно данной схемы продукты сгорания (2) газовоздушной смеси (1) после газотурбины поступают с температурой 450⁰С в котел-утилизатор. Здесь температура газов снижается до 170-180⁰С. Из перегретой воды в адиабатном испарителе получается пар. Конденсация этого пара осуществляется в специальном конденсаторе, который охлаждается морской водой по линии (3-4). Полученный дистиллят (5) отводится в качестве одного из целевых продуктов. Часть морской воды поступает на Na-катионитное умягчение. Предусматривается предварительная очистка морской воды от механических примесей с вводом коагулянта (6) в линию. Часть умягченной воды (7) является целевым продуктом и направляется на технические цели. Остальная часть умягченной воды поступает на питание обратноосмотического модуля. Пермеат стадии обратного осмоса (9) является третьим целевым продуктом. Как видно из схемы питания циркуляционного контура термической стадии опреснения осуществляется концентратом стадии обратноосмотического опреснения. Предусматривается также возможность питания этого контура смесью концентрата и умягченной воды (пунктирная линия). В циркуляционном контуре (котел-утилизатор: адиабатный испаритель) поддерживается солесодержание NaCl+Na₂SO₄ 80-120 г/л. Это обеспечивает эффективную регенерацию катионита раствором, который продувается из этого контура и направляется на Na-катионитный фильтр.

Одна из главных особенностей предлагаемой технологической схемы заключается в Na-катионитном умягчении морской воды перед опреснением.

Эта технология прошла длительное промышленное применение на одной из тепловых электрических станций Азербайджанской Республики. Разработан новый способ регенерации катионита, который позволяет осуществлять эффективную регенерацию используя только 70-80% располагаемой соли (концентрата стадии опреснения). Это равнозначно возможности вывода из схемы 20-30%-ов умягченной воды на технические цели (по линии 7 согласно схемы).

Разработана и исследована математическая модель предложенной схемы. При этом учтены следующие технические характеристики котов утилизаторов:

- поверхность нагрева – 550 м²;

- рекомендуемый диапазон изменения температуры нагрева воды в котле-утилизаторе 140÷160⁰С;

- рекомендуемый диапазон изменения расхода циркуляционный воды 40÷60 м3/ч.

В расчетах использованы следующие исходные данные:

- ионный состав воды Каспийского моря (мг-экв/л): [Na⁺] =138; [Ca²⁺] =16; [Mg²⁺] =60; [Cl^-] =142; [] =68; [] =4; солесодержание ~ 12,8 г/л;

- солесодержание воды в циркуляционном контуре – 100 г/л;

- одноступенчатая схема обратноосмотического модуля при селективности мембран 99%;

- выход опресненной воды на стадии обратноосмотического опреснения 70%;

- собственные нужды стадии механической очистки и умягчения морской воды 10%.

В таблице 1 приведены результаты расчетов технологической схемы. Расчеты выполнены для минимального и максимального значений расходов воды в циркуляционном контуре: 120 и 180 м³/ч (предусматривается использование трех котлов-утилизаторов). Рассмотрен вариант подпитки циркуляционного контура только концентратом стадии обратноосмотического опреснения умягченной морской воды. Как видно из полученных результатов из 6,7 МВт тепла на каждом котле утилизаторе может быть утилизировано около 50% (9,3:3). Это позволяет снизить температуру газов от 450⁰С до 170⁰С. При этом выработка дистиллята составит около 9 тыс.м³ в сутки, что полностью обеспечит современные потребности нефтяного месторождения в технической пресной воде.

Таблица 1. Результаты расчетов технологической схемы многоцелевого утилизационного опреснения морской воды

Таким образом, утилизационные опреснения являются эффективным способом производства технической воды на предприятиях, которые располагают вторичными энергоресурсами. На примере нефтяного месторождения «Нефт Дашлары» показано, что утилизационное опреснение решает проблему воды, создает условия для освоения новых производств, а также строительства тепловой электрической станции. Согласно результатам расчетов предлагаемый способ комбинирования стадии обратноосмотического и утилизационно-термического опреснения позволяет получать пермеат в количестве значительно превышающем количество дистиллята. Это создает возможность для развития новых водоемких производств, в том числе строительства тепловой электрической станции.

Важно отметить, что предложенная технологическая схема является весьма гибкой и позволяет при максимальной утилизации тепла газовых турбин в широком диапазоне изменять расход пермеата. Для этого достаточно осуществлять подпитку циркуляционного контура смесью концентрата обратноосмотической стадии опреснения и умягченной воды. Путем изменения числа котлов-утилизаторов могут быть получены необходимые для практических целей расходы всех трех целевых продуктов.

В таблице 2 приведены результаты расчетов технологической схемы для различных соотношений концентрата и умягченной воды в питательной воде термической стадии опреснения. Расчет выполнен для случая использования двух котлов-утилизаторов. Как видно из полученных результатов путем изменения α можно в широком диапазоне изменять расходы пермеата и умягченной морской воды. При этом расход дистиллята остается постоянным из условия максимальной утилизации тепла бросовых газов.

В таблице 3 приведен ионный состав целевых продуктов, которые могут быть получены по предлагаемой технологической схеме.

Таблица 2. Технологические параметры схемы обессоливания при различных долях концентрата ступени обратного опреснения в питательной воде ступени термического опреснения (α)

Примечание: размерность в т/ч.

Таблица 3. Ионные составы целевых продуктов технологии утилизационного опреснения морской воды

Таким образом, утилизационное опреснение являются эффективным способом получения технической воды на предприятиях, имеющих вторичные энергетические ресурсы. На примере месторождения «Нефт Дашлары» показано, что утилизация опреснения решает проблему воды, создает условия для развития новых производств, а также строительства ТЭС.

По технико-экономическим расчетам затраты на опреснение морской воды с использованием отходящего тепла ГТ не превышают 20 % от затрат на транспортировку воды от берега. В экологическом отношении предлагаемая технология может быть отнесена к разряду наиболее совершенных. Практически в море сбрасываются только собственные солевые компоненты исходной воды.